结核是由结核分枝杆菌感染而引起的慢性传染病，可侵入人体各个器官，主要侵犯肺脏，称为肺结核病。中国结核病患病例数为世界第二，由于缺乏快速、精准的结核实验室鉴定手段，增加了结核病传播和耐药风险。由于代谢物的变化发生在DNA、RNA和蛋白质改变的下游，因此代谢组分析较之基因组、转录组和蛋白组，可更加及时、准确的反映人体健康状况和疾病的进展。呼吸系统感染患者由于肺脏组织病变后其代谢稳态被打乱，呼出气体中代谢物的谱图和浓度发生紊乱，可通过代谢组学手段分析氧化损伤和炎症反应等呼吸道内环境的改变。结核分枝杆菌及其感染引起的代谢反应可产生独特的代谢物特征图谱，患者的呼出气体代谢物可作为肺结核诊断的潜在标志物。
当前全球结核病的发病率和死亡人数居高不下，2020年WHO报告显示，在全球范围内，2019年估计有1000万人患有结核病，2015年设定的全球肺结核病发病率下降20%（实际下降9%）和死亡人数下降35%（实际下降14%）的五年目标还远远没有达到[1]。作为全世界肺结核病的高负担国家之一，我国对于肺结核病的早期诊断的研究一直在持续推进。新兴的代谢组学技术对代谢中间产物或代谢终点的小分子物质进行综合分析，已被越来越多地应用于疾病病理状态的研究。呼出气代谢组学（exhaled breath metabolomics）是代谢组学的一个特殊分支，主要通过分析患者呼出气体的特征对其病生理状态进行诊断和监测，快速无创的特点使其具有独特的应用前景。近年来，组学技术已成为临床呼吸领域的基础研究工具。代谢物的变化发生在DNA、RNA和蛋白质改变的下游，因此代谢组分析较之基因组、转录组和蛋白组，可更加及时、准确的反映人体健康状况和疾病的进展。代谢组学可对研究对象中的所有代谢物进行定量分析，从而探究代谢物的变化与生理病理状态的联系，为人类疾病发病机制的研究以及疾病标志物的发现提供新思路[2-3]。呼出气体根据来源可分为外源性和内源性两大类，前者来源于机体摄取或吸入外部环境的物质，后者一般是人体细胞中碳水化合物代谢和脂类代谢以及氧化应激和细胞色素p450肝酶的最终产物，也是肠道菌群有氧和厌氧发酵过程的最终产物，可储存于脂肪组织、血液和肺等不同部位，最后通过呼气过程呼出[4-5]。呼出气代谢组学属于代谢组学的分支，通常可由挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）和呼出气冷凝液（exhaled breath condensate，EBC）两种标本类型进行分析。VOCs是指沸点在50-260℃的各种有机化合物，可在常压下通过气袋法直接收集后分析。EBC则是通过将呼出气体引入低温系统冷凝而获得的液体[6]，特别是含有大量挥发性和非挥发性物质的呼吸道内衬液（airway lining fluid，ALF）。炎症、肿瘤、肠道菌群失调等病理机制可导致肺脏、肠道等局部和系统性VOCs和EBC中代谢物的谱图和浓度发生变化，反映氧化损伤和炎症反应等呼吸道内环境[7-8]。当机体发生病变时，呼出气代谢物可表现出显著的变化，呼出气代谢组具有快速、无风险和价格低廉的特点，是目前呼吸系统疾病的一种前沿诊断方法，呼出气代谢物特征图谱可以作为疾病早期鉴定的途径[9-11]。Kazeminasab等人讨论了呼出气体的代谢标志物在慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）诊断中的重要作用。Corradi等人证实，在COPD患者的EBC中，白三烯和前列腺素作为炎症的脂质介质可能在COPD中发挥重要作用，白三烯B4可能参与了气道炎症细胞的募集和氧化应激并影响脂质、蛋白质和核酸等代谢途径[12]。上述呼出气体中的代谢物可反映肺内生理或病理过程，有助于COPD风险评估、疾病预防、早期准确诊断和监测治疗效果。Carraro等人进行了关于与哮喘相关的EBC代谢组学研究，该研究纳入25名哮喘儿童和11名健康对照儿童，结果表明来自小儿哮喘患者的EBC中有更高浓度的氧化应激标志物，特别是8-异前列腺素（8-isoprostane，8-iso PG）可能是潜在的哮喘呼出气体标志物[13]。也有研究表明，哮喘儿童呼出气体代谢物显示其脂类代谢、谷氨酸-谷氨酰胺循环氧化应激中的炎性信号通路均有改变[14]。肺癌患者肺脏可发生过度的氧化应激和炎性反应，其相关的呼出气体代谢物被认为是肺癌早期筛查的潜在手段，如miRNAs、过氧化氢、醛类、2-丁酮、1-丁醇、白介素、前列腺素E2（Prostaglandin E2，PGE2）、8-iso PG、5-脂氧合酶（5-lipoxygenase，5-LOX）和环氧合酶2（cyclooxygenase 2，COX-2）等氧化应激和炎性反应相关DNA、RNA、蛋白质、脂类和过氧化物等，其浓度变化均可作为肺癌的生物标志物[15]。当前，新冠肺炎是人类面临的巨大的挑战。研究发现COVID-19患者呼出气体中最显著的化合物分别是甲基戊烯-2-烯醛、2，4-辛二烯-1 -氯庚烷和壬醛[16]。呼出气代谢组技术有助于筛查新冠感染患者以及对患者治疗效果进行监测，特别是有可能成为新冠感染患者复阳风险预测的新手段。除了呼吸系统疾病，呼出气体也可反映其它疾病的进展。Tankasala等通过葡萄糖生物传感器对血液和EBC样本中的葡萄糖进行检测。结果显示，EBC的葡萄糖水平与血液葡萄糖水平呈正相关，因此提供了一种无创监测糖尿病的前景[17]。一项研究通过对白血病儿童的EBC样本进行氨基酸差异水平分析，也验证了氨基酸谱作为白血病生物标志物的可能性。目前已有一些呼出气体试验已应用于临床，如氢呼气试验作为一种成本相对较低、非侵入性的技术，已被用于辅助诊断胃肠疾病，13C-尿素氨呼吸试验已被应用于临床检测幽门螺杆菌感染等[18-19]。结核患者呼出气代谢物可能来自结核分枝杆菌的代谢过程以及受感染宿主氧化应激和炎症反应[20-21]。结核分枝杆菌被肺泡巨噬细胞内化后，巨噬细胞产生大量活性氧（ROS）和活性氮中间体（RNI），产生的过氧化氢在下呼吸道肺泡细胞中既不能被抗氧化酶分解，也不能转化为羟基自由基，从而可通过EBC收集。有研究观察到的肺结核患者呼出气代谢物含有环己烷、苯、癸烷和庚烷衍生物以及醛类等氧化应激代谢产物，其中60%以上的挥发性代谢物都与脂质氧化途径相关，如1,3,5-三甲苯，3,7-二甲基癸烷，十三烷，4,6,8-三甲基-1-壬烯，5-乙基-2-甲基-庚烷，庚烷，苯衍生物，烟酸甲酯，3-（1-甲基乙基）-氧乙烷，4-甲基-己烯，4-甲基-十二烷，己基-环己烷、乙醛和过氧化氢等含量升高[22-24]。也有研究观察到的肺结核患者呼出气中可检测到结核分枝杆菌的挥发性代谢物，如对茴香酸甲酯和烟酸甲酯是结核分枝杆菌和牛分枝杆菌的特征代谢物，苯乙酸甲酯是结核分枝杆菌、牛分枝杆菌和鸟分枝杆菌复合体中的常见代谢物等[25-28]。也有研究发现甲基化和非甲基化碳氢化合物，尤其是1-甲基萘和1,4-二甲基环己烷在结核体外培养和患者呼吸样本中含量均较高。本课题组也在耐药结核分枝杆菌代谢产物的研究中得到了相似的结果，可为通过呼出气代谢组区分不同分枝杆菌感染和耐药监测提供研究基础。呼出代谢组学作为为一种非侵入性的诊断工具，可通过将呼出气代谢物作为标志物，应用到疾病早期发现、筛选、诊断和治疗监测，其优势主要在于：由于呼气取样的非侵入性，使样本获取完全无创，安全性和简便性使受试者易接受；呼出气代谢物是体内代谢活动的产物，直接反映了组织、细胞和微生物病生理状态，为临床提供了丰富的信息。肺结核的呼吸代谢组学技术在结核诊断中具有非常广阔的应用前景，但多应用于肺结核诊断领域，针对肺结核耐药患者呼出气体代谢物的研究较少，今后肺结核耐药患者方面的研究将具有广阔的应用前景。
注：本文来源于《临床实验室》杂志2021年第6期“代谢性疾病”专题
